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內(nèi)容簡介

　　自20世紀(jì)70年代以來，在以原油價(jià)格暴漲為標(biāo)志的“能源危機(jī)”之后，社會(huì)上又相繼出現(xiàn)以臭氧層破壞和溫室氣體效應(yīng)為首的“全球變暖危機(jī)”。為此，各國科學(xué)家都在致力于尋求高效、無污染的新的能量轉(zhuǎn)化利用方式。熱電材料作為一種新型的綠色能源材料，可以達(dá)到合理有效利用工農(nóng)業(yè)余熱及廢熱、汽車廢氣、地?zé)?、太陽能及海洋溫差等能量的目的。它利用固體中載流子和聲子的輸運(yùn)及其相互作用，實(shí)現(xiàn)熱能和電能之間的直接相互轉(zhuǎn)化，具有無污染、無噪聲、無磨損、體積小、反應(yīng)快、易于維護(hù)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，有著極其廣泛的應(yīng)用前景。20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)物理學(xué)家Abram loffe和他的同事提出了半導(dǎo)體熱電理論，指出優(yōu)良的熱電材料一般要有大的載流子遷移率和能帶有效質(zhì)量及低的晶格熱導(dǎo)率。并根據(jù)這些理論，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些性能較好的常規(guī)半導(dǎo)體熱電材料，如適合室溫使用的Bi2Te3合金、中溫（700 K）使用的PbTe、高溫（1000 K）使用的SiGe合金和更高溫（1000 K以上）使用的SiC等，這些材料的熱電優(yōu)值（ZT）可以達(dá)到或接近1.0（對應(yīng)熱電轉(zhuǎn)換效率小于10%），另外還有一些具有優(yōu)異熱電性能材料的ZT可達(dá)到2.0。然而，若想獲得與傳統(tǒng)熱機(jī)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換效率，材料的平均ZT需達(dá)到3.0左右。從熱力學(xué)的基本定理來說，熱電優(yōu)值沒有上限，因此，探索具有高轉(zhuǎn)換效率的新型熱電材料具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。作者10余年來一直從事熱電特性的理論研究，特別是Zintl相化合物熱電特性的研究。這類化合物符合“電子晶體-聲子玻璃”的概念，如具有5-2-6、3-1-3或2-1-2化學(xué)計(jì)量比的Zintl相化合物中，陽離子貢獻(xiàn)出全部的價(jià)電子給陰離子基團(tuán)，陰離子基團(tuán)一般通過共價(jià)鍵形成四面體結(jié)構(gòu)，這些四面體通過角共享、邊共享或角共享和邊共享交替出現(xiàn)的形式形成一維的直鏈或一維扭曲的螺旋鏈或分散的四面體對等，而陰離子基團(tuán)中元素的電負(fù)性一般差別不大，同時(shí)陰離子基團(tuán)中的不等價(jià)位原子會(huì)使各共價(jià)鍵的鍵長、鍵角和鍵能各不相同，這樣復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)有利于降低晶格熱導(dǎo)率，并為通過能帶工程、聲子調(diào)控等手段提升材料的熱電性能提供了得天獨(dú)厚的條件，是有廣闊應(yīng)用前景的熱電材料。本書寫作過程中力求向讀者傳授自己研究的心路歷程和思考探索方法，希冀能夠?qū)φ诨驅(qū)韽氖聼犭娧芯康目蒲泄ぷ髡哂幸欢ǖ膯l(fā)和幫助。本書第1章簡述熱電轉(zhuǎn)換的基本原理、熱電材料性能優(yōu)化策略。第2章闡述了基于密度泛函的第一性原理的理論基礎(chǔ)和研究方法。第3、第4、第5和第6章主要介紹了Zintl相化合物A5M2Pn6、A3MPn3和Ba2ZnPn2的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和熱電特性，重點(diǎn)討論A5M2Pn6和A3MPn3化合物中陰離子基團(tuán)不同排布方式的成因，并分析影響其電子結(jié)構(gòu)和熱電特性的微觀機(jī)制，通過分析試圖找到元素的特性、晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和電子輸運(yùn)特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為實(shí)驗(yàn)上合成高性能熱電材料提供理論依據(jù)。第7章探究幾種彈性散射機(jī)制下，能帶簡并度、能帶有效質(zhì)量、能帶各向異性和熱電特性的關(guān)系，通過探究試圖探尋不同散射機(jī)制下優(yōu)良熱電材料電子結(jié)構(gòu)的特性。

作者簡介

暫缺《典型Zintl相材料熱電理論》作者簡介

圖書目錄

第1章緒論 1
1.1 引言 1
1.2 熱電性能的表征 2
1.2.1 熱電轉(zhuǎn)換效率 2
1.2.2 熱電優(yōu)值ZT 3
1.3 提高材料熱電優(yōu)值的途徑 9
1.3.1 提高功率因子 9
1.3.2 降低熱導(dǎo)率 11
1.4 本書主要研究內(nèi)容 13
參考文獻(xiàn) 19

第2章理論基礎(chǔ)及計(jì)算方法 22
2.1 研究背景 22
2.2 對多粒子系統(tǒng)的薛定諤方程的近似 23
2.2.1 非相對論近似 24
2.2.2 絕熱近似 24
2.2.3 單電子近似 25
2.3 密度泛函理論 29
2.3.1 托馬斯-費(fèi)米模型 29
2.3.2 霍亨伯格-孔恩定理 30
2.3.3 科恩-沈呂九方程 32
2.4 交換關(guān)聯(lián)泛函 34
2.4.1 局域密度近似泛函 34
2.4.2 廣義梯度近似泛函 35
2.4.3 LDA （GGA） U方法 35
2.4.4 雜化密度泛函（Hydrid Density Functional） 36
2.5 電子Boltzmann輸運(yùn)理論 36
2.6 本文采用的計(jì)算軟件 37
2.6.1 VASP軟件包 37
2.6.2 WIEN2K軟件包 37
2.6.3 Phonopy 38
2.6.4 Phono3py 38
參考文獻(xiàn) 39

第3章 Zintl相A5M2Pn6的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和熱電特性 42
3.1 As-As鍵對Ca5M2As6（M=Sn,Ga）電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)的
影響 43
3.1.1 晶格結(jié)構(gòu) 44
3.1.2 電子結(jié)構(gòu) 45
3.1.3 電子輸運(yùn)性質(zhì) 51
3.1.4 熱輸運(yùn)性質(zhì) 55
3.1.5 小結(jié) 56
3.2 As-As鍵對化合物Ca5Ga2As6和Ca3GaAs3的電子結(jié)構(gòu)和
熱電特性的影響 56
3.2.1 Ca5Ga2As6和Ca3GaAs3的晶格結(jié)構(gòu) 57
3.2.2 電子結(jié)構(gòu) 58
3.2.3 態(tài)密度 60
3.2.4 熱電特性 62
3.2.5 小結(jié) 65
3.3 Sr5Al2Sb6和Ca5Al2Sb6電子結(jié)構(gòu)和熱電特性差異的
微觀機(jī)制 65
3.3.1 晶體結(jié)構(gòu) 66
3.3.2 摻雜提高Sr5Al2Sb6的熱電特性 68
3.3.3 電子結(jié)構(gòu) 69
3.3.4 輸運(yùn)性質(zhì) 73
3.3.5 小結(jié) 76
3.4 Sr5Sn2As6的電子結(jié)構(gòu)和熱電特性 76
3.4.1 晶體結(jié)構(gòu) 77
3.4.2 彈性和熱學(xué)性能 78
3.4.3 電子輸運(yùn) 79
3.4.4 電子結(jié)構(gòu) 83
3.4.5 小結(jié) 87
參考文獻(xiàn) 87

第4章提高Zintl相化合物A5M2Pn6的熱電特性 91
4.1 A5M2Pn6組成元素電負(fù)性的不同對熱電特性的影響 91
4.1.1 晶格結(jié)構(gòu) 91
4.1.2 電子結(jié)構(gòu) 92
4.1.3 電輸運(yùn)性質(zhì) 94
4.1.4 小結(jié) 96
4.2 溶質(zhì)原子的溶度上限對摻雜載流子濃度的影響 96
4.2.1 電子結(jié)構(gòu) 97
4.2.2 Ca5Al2Sb6的輸運(yùn)性質(zhì) 98
4.2.3 選擇合適的摻雜原子 101
4.2.4 小結(jié) 103
4.3 Pb摻雜調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)改善Ca5In2Sb6的熱電性能 104
4.3.1 晶格結(jié)構(gòu) 104
4.3.2 熱電輸運(yùn)性質(zhì) 105
4.3.3 電子結(jié)構(gòu) 107
4.3.4 Pb摻雜Ca5In2Sb6的熱電特性 109
4.3.5 小結(jié) 114
參考文獻(xiàn) 114

第5章 Zintl相A3MPn3的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和熱電特性 117
5.1 Ca3AlSb3和Sr3AlSb3中四面體不同的排布方式影響電子
結(jié)構(gòu)和熱電特性 117
5.1.1 晶體結(jié)構(gòu) 118
5.1.2 A3AlSb3（A=Ca, Sr）的電子輸運(yùn)特性 120
5.1.3 電子結(jié)構(gòu) 123
5.1.4 小結(jié) 125
5.2 Sr3GaSb3的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì) 126
5.2.1 晶格結(jié)構(gòu) 126
5.2.2 輸運(yùn)性質(zhì) 127
5.2.3 電子結(jié)構(gòu) 129
5.2.4 小結(jié) 131
參考文獻(xiàn) 132

第6章 Ba2ZnPn2及其他Zintl相化合物的電子結(jié)構(gòu)和熱電特性 134
6.1 Ba2ZnPn2的電子結(jié)構(gòu)和熱電特性 134
6.1.1 晶體結(jié)構(gòu) 134
6.1.2 弛豫時(shí)間和熱導(dǎo)率的計(jì)算 135
6.1.3 熱電輸運(yùn)分析 136
6.1.4 電子結(jié)構(gòu) 140
6.1.5 小結(jié) 143
6.2 引起Zintl相化合物Ba3Al3P5和Ba3Ga3P5熱電性質(zhì)差異的
微觀機(jī)制 144
6.2.1 晶格結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及化學(xué)鍵特征 144
6.2.2 晶格熱導(dǎo)率 147
6.2.3 熱電輸運(yùn)性質(zhì) 149
6.2.4 電子結(jié)構(gòu) 152
6.2.5 小結(jié) 155
參考文獻(xiàn) 155

第7章幾種各向同性的彈性散射下電子結(jié)構(gòu)和熱電轉(zhuǎn)換效率的
關(guān)系 158
7.1 Chasmar-Stratton 理論 159
7.2 在幾種散射機(jī)制下材料參數(shù)β和電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系 159
7.3 簡單模型 161
7.4 簡單多谷模型 163
7.5 結(jié)論和展望 164
參考文獻(xiàn) 165